無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)

1、黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)姓名:暢恒宇申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)·無線傳感器網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)教師:李金寶20070530 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章H.MAC協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境2.1Hawk節(jié)點(diǎn)簡介由黑龍江大學(xué)信息技術(shù)研究所開發(fā)的Hawk傳感器節(jié)點(diǎn)是一種通用的、低成本、超低功耗智能傳感器節(jié)點(diǎn),為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和應(yīng)用的研究提供了靈活的硬件環(huán)境,其實(shí)物如圖2.1所示。 圈2-1Hawk節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.21Hawk nodeHawk節(jié)點(diǎn)具有感知、無線通信、存儲和處理等功能,能夠感知溫度、濕度,聲音、光、振動和磁力等七種物理屬性,并產(chǎn)生相應(yīng)的感

2、知數(shù)據(jù)。Hawk節(jié)點(diǎn)以無線通信方式收發(fā)來自傳感器網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),并可以通過多功能接口板與前端的PC機(jī)進(jìn)行通信,使得用戶可以實(shí)時獲得傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知數(shù)據(jù)。它配有一個Flash存儲器,可以存儲一定數(shù)量的感知數(shù)據(jù),同時還具有處理感知數(shù)據(jù),過濾冗余數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的各組成部件等功能,可以在不同環(huán)境下長期、穩(wěn)定、可靠地工作。獨(dú)特的超低功耗設(shè)計(jì),能夠支持節(jié)點(diǎn)的長期工作。使用2節(jié)AA電池供電,最長可工作2年以上。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的低功耗,不但所有器件均采用低功耗器件,而且主控模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊均可通過編程單獨(dú)控制它們的工作狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)上的多個傳感器模塊都可以工作于活動和斷電二個狀態(tài),并可通過編程第

3、2章Hawk通信協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境獨(dú)立控制其狀態(tài)和采樣頻率,從而降低傳感器模塊的能量消耗。通過編程控制傳感器的各個單元的工作狀態(tài),可以使其盡可能工作在最低功耗狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的低功耗。節(jié)點(diǎn)最低工作電壓為O.87V,在待機(jī)狀態(tài)下,工作電流小于8IIA,在低功耗工作狀態(tài)下,工作電流小于500肛A。微處理器和無線傳輸模塊都采用極少的外圍原件設(shè)計(jì),傳感器模塊采用物理上獨(dú)立、分離、多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而使傳感器模塊具有良好的可擴(kuò)展性。無線傳輸模塊采用PCB天線設(shè)計(jì),增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、可靠性和對外界噪聲的抗干擾能力。所有器件均采用工業(yè)級芯片,整體提高了系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性和溫度適應(yīng)范圍,使其能夠適

4、應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境。Hawk節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。它主要由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)構(gòu)成。 圖2-2Hawk節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2-2Architecture ofHawk node黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文1.數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)由美國德州儀器(T1公司生產(chǎn)的16位MSP430F1611微控制器、AT45DB041存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS及JTAG&UART接口構(gòu)成。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器,能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作;其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè);帶FLASH存儲器的單片機(jī)還可以方

5、便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430系列單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是它的超低功耗,在1.8v3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運(yùn)行,耗電電流在O.1400“A之間,RAM在節(jié)電模式耗電為O.1lA,等待模式下僅為O.7肛A。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,所以微控制器采用MSP430F1611是整個系統(tǒng)達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能保證。AT45DB041為4M串行FLASH,用于存儲數(shù)據(jù)、測量值及其他用戶定義的信息。TinyOS為加州大學(xué)Berkeley分校開發(fā)的嵌入式實(shí)施操作系統(tǒng),用于提供實(shí)時的調(diào)度管理。JTAG&UART接口為調(diào)試和下載程序提供標(biāo)接口。2.數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由

6、加速度傳感器(ADXL202JE、磁力傳感器:(HMCl002、溫濕度傳感器r(SHTI1、光敏電阻、蜂鳴器、麥克風(fēng)等模塊組成。 圖2-3Hawk節(jié)點(diǎn)傳感器板Fig.23Sensor board ofHawk node-20一第2章Hawk通信協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境傳感器板(圖23通過31Pins外擴(kuò)連接器插在數(shù)據(jù)處理的處理器板(圖241-,一起構(gòu)成了Hawk無線傳感器的節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)。 圖2-4Hawk節(jié)點(diǎn)處理器板Fig.2-4Processor board ofHawk node3.電源子系統(tǒng)Hawk節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)AA堿性電池供電,工作電壓為1.O3.6V。Hawk節(jié)點(diǎn)處于不同的工作狀態(tài)時,消耗的電流不同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時,典型電流值為4.2nA;當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)時(無線模塊也處于工作狀態(tài),則電流值為2(hnA,如果無線模塊處于休眠狀態(tài)則電流值僅為420釁。4.無線通信子系統(tǒng)無線通信子系統(tǒng)由PCB天線和無線射頻電路組成。